一种基于子空间正交原理的分布式阵列SAR相位中心定标方法与流程

本发明涉及一种基于子空间正交原理的分布式阵列合成孔径雷达相位中心定标方法，属于合成孔径雷达信号处理
技术领域：
，可用于分布式阵列合成孔径雷达系统的相位中心位置定标。
背景技术：
：相位中心定标是合成孔径雷达(syntheticapertureradar，sar)数据处理中的一项关键技术。多通道系统中的各通道由于受安装误差、基线抖动、相位中心等效等因素影响而偏离理想位置，需要利用相位中心定标技术在sar三维成像及分辨前对实际的相位中心位置进行标定，从而得到实际的相位中心位置，得到精确的三维重建结果。目前在sar领域，用于动目标检测的方位向多通道系统比较常见，相应的其定标研究也较多，例如利用多普勒模糊进行方位向多通道的相位中心位置定标。然而在阵列三维成像等应用中需要的跨航向的多通道。在跨航向多通道的定标研究中，研究最多的是双通道干涉合成孔径雷达(interferometrysyntheticapertureradar，insar)定标，其主要有两类方法。第一类方法是基于相位校正的干涉定标，这一方法的基本思想是将所有参数偏差归算到干涉相位误差中，因此应用起来较简单，但由于将所有误差归算为相位误差，因此不能具体了解相位中心位置的偏差及其他干涉参数偏差；第二类方法是基于敏感度方程的干涉定标，该类方法可以估计各类干涉参数，比如基线长度、基线倾角及干涉相位偏差，通过简单的换算可得到相位中心位置的估计，然而对于多通道相位中心位置定标来说，该类方法一次只能定两个通道的位置，效率低，更关键的是不同基线长度的定标精度不一样，导致各相位中心位置定标的精度不一致。技术实现要素：鉴于已有方法的局限性，本发明提出一种基于子空间正交原理的分布式阵列sar相位中心定标方法。该方法的基本原理是：在多重信号分类(multiplesignalclassification，music)算法中求出的噪声子空间与阵列流型正交，噪声子空间可以利用阵列接收的数据进行求解，而阵列流型是由相位中心和波达方向(directionofarrival，doa)唯一确定的，因此可以利用噪声子空间与阵列流型的正交性，以相位中心为未知量，构建最小化代价函数对相位中心位置进行定标。根据本发明提出的基于子空间正交原理的分布式阵列sar相位中心定标方法，包括如下步骤：1)根据music算法原理求出雷达阵列输出数据的噪声子空间un；2)由机载定位定姿系统(positioningandorientationsystem，pos)测量仪测量值求出校正源doa；3)使用理想阵列参数计算阵列流型，结合噪声子空间和doa估计值计算方位角度信息矩阵p,b；4)由矩阵p,b进行最优化计算，返回相位中心位置与理想位置的偏差δ的估计值，再通过将理想位置加上位置偏差δ即得到相位中心位置估计。进一步地，本发明所述步骤1)的具体过程为：1a)对阵列收到的信号x求协方差矩阵rxx，其可由估计，其中l表示快拍数，xl表示第l个信号，表示xl的共轭转置。1b)对rxx进行特征值分解，将较小的m个特征值对应的特征向量组成矩阵un。其中m为信源个数。进一步地，本发明所述步骤3)的具体过程为：3a)使用下式计算理想阵列参数下阵列流型：其中(xn0,yn0,zn0),n＝1,2,...n为各相位中心的理想三维坐标，θi,φi分别为第i个信源的方位角和俯仰角，见图2，λ表示雷达工作波长，[·]h表示共轭转置，[·]t表示转置。3b)构造方位角度信息矩阵p,b：其中进一步地，本发明所述步骤4)的具体过程为：4a)构造最小化函数得到相位中心位置偏差其中real(·)表示求实部操作；4b)计算相位中心位置估计值其中xyz0为相位中心位置向量的理想值。本发明的有益效果是：本发明所述的一种基于子空间正交原理的分布式阵列sar相位中心定标方法，可以准确的对分布式阵列sar系统相位中心进行定标，并且所有相位中心位置的标定一次完成，不需要两两相互定标，能够显著提高相位中心位置定标的效率和精度，进而提高三维重建精度及高程向超分辨性能。附图说明图1是本发明具体实施例的流程图。图2是一种分布式sar系统的数据获取示意图。图3是矩阵p的幅度表示图。图4是矩阵p的相位表示图。图5是矩阵b的幅度表示图。图6是矩阵b的相位表示图。图7是相位中心x坐标的理想值与估计值对比图。图8是相位中心y坐标的理想值与估计值对比图。图9是相位中心z坐标的理想值与估计值对比图。图10是相位中心x坐标的理想值与估计值偏差图。图11是相位中心y坐标的理想值与估计值偏差图。图12是相位中心z坐标的理想值与估计值偏差图。具体实施例一个相位中心沿切航向分布，通道数目为16，信源数为4的sar数据获取示意图如图2，平台沿x方向飞行，左翼为切航向记为y，高程向z与x和y构成右手坐标系。为了验证本发明提出的算法，给出了一组仿真结果，其参数见表1。表1仿真参数利用本发明提出的方法对该仿真系统进行相位中心定标实验。其实施流程如图1所示，其具体步骤为：步骤1：根据music算法原理求出雷达阵列输出数据的噪声子空间un；该步骤的具体过程为：1a)对阵列收到的信号x求协方差矩阵rxx，其可由估计，其中l表示快拍数，xl表示第l个信号，表示xl的共轭转置。本实例中l＝3，求得协方差矩阵rxx(16×16的矩阵)为：序号123……14151613.9973+0.0000i0.0187-1.1731i-0.7408-1.3710i……1.2498+1.2178i-0.6833-1.6531i0.0699+0.2248i20.0187+1.1731i3.9066+0.0000i0.3840-1.1876i……1.2577-0.4313i1.3551+1.2436i-0.1578-1.8991i3-0.7408+1.3710i0.3840+1.1876i3.9616+0.0000i……1.0893+0.0816i1.2918-0.7244i1.0953+1.3633i40.6376+1.7695i-0.5775+1.3296i-0.0432+1.0660i……-0.8388+3.6819i1.2245+0.4998i1.3018-0.2146i…………………………………………131.0973+0.6106i1.0868-0.2348i-0.2374-3.9069i……0.2160-1.2245i-0.8823-1.5139i1.0851-1.5395i141.2498-1.2178i1.2577+0.4313i1.0893-0.0816i……3.8114+0.0000i0.3226-1.2778i-0.3269-1.4062i15-0.6833+1.6531i1.3551-1.2436i1.2918+0.7244i……0.3226+1.2778i4.0939+0.0000i0.2476-1.1275i160.0699-0.2248i-0.1578+1.8991i1.0953-1.3633i……-0.3269+1.4062i0.2476+1.1275i3.9331+0.0000i1b)对rxx进行特征值分解，将较小的m个特征值对应的特征向量组成矩阵un。其中m为信源个数。本实例中m＝4，求得的矩阵un(12×16的矩阵)为：序号123……10111210.1136-0.0405i-0.0397-0.0979i0.0253-0.4628i……0.1767+0.0606i-0.2086-0.1628i0.2027-0.0168i2-0.0385+0.2086i-0.0162+0.1971i-0.0173+0.0172i……0.0745-0.1485i0.1875+0.2089i-0.0120-0.0084i30.2062-0.1743i-0.1281+0.1481i-0.0572+0.0972i……-0.3627+0.1847i0.0428-0.2533i-0.1223-0.0452i40.0599+0.1042i-0.0462+0.3128i0.0262+0.2989i……0.1940-0.1071i0.3072+0.0238i0.0947+0.2748i…………………………………………13-0.2183+0.1086i-0.1418-0.2242i0.1032-0.1741i……-0.2358-0.3608i0.0693+0.0124i-0.1703+0.0447i140.0523+0.2016i-0.3184+0.0260i-0.0082+0.0536i……0.1631+0.0855i-0.0411+0.0138i0.0092+0.0083i150.0635+0.1524i-0.1455+0.0496i-0.1468+0.1036i……0.2636-0.0521i-0.1889-0.2447i-0.2957-0.2840i16-0.1500-0.0000i0.5266+0.0000i-0.2666+0.0000i……0.0596+0.0000i-0.1252+0.0000i-0.0994+0.0000i步骤2：由机载pos测量仪测量值求出校正源doa；θmeasure＝[-40-202545]，φmeasure＝[30603060]步骤3：使用理想阵列参数计算阵列流型，结合噪声子空间和doa估计值计算方位角度信息矩阵p,b；该步骤的具体过程为：3a)使用下式计算理想阵列参数下阵列流型：其中(xn0,yn0,zn0),n＝1,2,...n为各相位中心的理想三维坐标，θi,φi分别为第i个信源的方位角和俯仰角，λ表示雷达工作波长，[·]h表示共轭转置，[·]t表示转置。3b)构造方位角度信息矩阵p,b：其中步骤3得出方位角度信息矩阵p,b分别是一个(n-m)m×1的向量和(n-m)m×(n-m)m的矩阵(本例中分别为48×1和48×48的矩阵)。将其以幅度和相位的形式表示如图3、图4、图5、图6。步骤4：由矩阵p,b进行最优化计算，返回相位中心位置与理想位置的偏差δ的估计值，再通过将理想位置加上位置偏差δ即得到相位中心位置估计。该步骤的具体过程为：4a)构造最小化函数得到相位中心位置偏差4b)计算相位中心位置估计值其中xyz0为相位中心位置的理想值。步骤4的计算结果如图7(各相位中心x坐标的真实值和估计值之间的偏差)、图8(各相位中心y坐标的真实值和估计值之间的偏差)及图9(各相位中心z坐标的真实值和估计值之间的偏差)所示。从定标结果来看，每个相位中心的x,y,z三维坐标估计很准确。各相位中心位置xyz坐标估计值与真实值的偏差用数值表示分别见图10、图11、图12，从图可见估计值与真实值很接近。其定标均方误差mse(meansquareerror)等于0.039mm。由实施例的结果发现，本发明提出的一种基于子空间正交原理的分布式阵列sar相位中心定标方法，可以准确的对分布式阵列sar系统相位中心进行定标，并且所有相位中心位置的标定一次完成，不需要两两相互定标，极大的提高了效率，保证了精度。以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。当前第1页12